Tecnología de recubrimiento de engranajes

La tecnología de deposición PVD se ha practicado durante muchos años como una nueva tecnología de modificación de superficies, especialmente la tecnología de recubrimiento iónico al vacío, que ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años y ahora se utiliza ampliamente en el tratamiento de herramientas, moldes, anillos de pistón, engranajes y otros componentes. Los engranajes recubiertos mediante la tecnología de recubrimiento iónico al vacío pueden reducir significativamente el coeficiente de fricción, mejorar la resistencia al desgaste y cierta resistencia a la corrosión, y se han convertido en el foco principal de la investigación en el campo de la tecnología de fortalecimiento de superficies de engranajes.

Los materiales comunes utilizados para engranajes son principalmente acero forjado, acero fundido, hierro fundido, metales no ferrosos (cobre, aluminio) y plásticos. El acero es principalmente acero 45, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB, 38CrMoAl. El acero bajo en carbono utilizado principalmente en 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB, 20CrMnTo. El acero forjado es más utilizado en engranajes debido a su mejor rendimiento, mientras que el acero fundido generalmente se utiliza para fabricar engranajes con diámetro > 400 mm y estructura compleja. Los engranajes de hierro fundido son resistentes a la corrosión y al picado, pero carecen de resistencia al impacto y al desgaste, principalmente para trabajo estable, potencia no es baja velocidad o gran tamaño y forma compleja, pueden funcionar en condiciones de falta de lubricación, adecuados para transmisión abierta. Los metales no ferrosos más utilizados son el bronce de estaño, el bronce de aluminio-hierro y la aleación de aluminio fundido, comúnmente empleados en la fabricación de turbinas o engranajes. Sin embargo, sus propiedades de deslizamiento y antifricción son deficientes, por lo que solo son adecuados para engranajes de carga ligera, media y baja velocidad. Los engranajes de materiales no metálicos se utilizan principalmente en sectores con requisitos especiales, como la lubricación sin aceite y una alta fiabilidad. Esto incluye sectores con condiciones de baja contaminación, como electrodomésticos, equipos médicos, maquinaria alimentaria y maquinaria textil.

Materiales de recubrimiento de engranajes

Los materiales cerámicos de ingeniería son materiales sumamente prometedores con alta resistencia y dureza, especialmente con excelente resistencia al calor, baja conductividad térmica y dilatación térmica, alta resistencia al desgaste y a la oxidación. Numerosos estudios han demostrado que los materiales cerámicos son intrínsecamente resistentes al calor y presentan un bajo desgaste en comparación con los metales. Por lo tanto, el uso de materiales cerámicos en lugar de materiales metálicos para piezas resistentes al desgaste puede prolongar la vida útil de la superficie de fricción y cumplir con requisitos exigentes como alta temperatura, alta resistencia al desgaste y multifuncionalidad. Actualmente, los materiales cerámicos de ingeniería se utilizan en la fabricación de piezas resistentes al calor de motores, piezas de desgaste en transmisiones mecánicas, piezas resistentes a la corrosión y piezas de sellado en equipos químicos, lo que demuestra el amplio potencial de aplicación de los materiales cerámicos.

Los países desarrollados, como Alemania, Japón, Estados Unidos, Reino Unido y otros, otorgan gran importancia al desarrollo y la aplicación de materiales cerámicos de ingeniería, invirtiendo mucho dinero y recursos humanos para desarrollar la teoría y la tecnología de procesamiento de la cerámica de ingeniería. Alemania ha lanzado un programa llamado “SFB442”, cuyo propósito es utilizar la tecnología PVD para sintetizar una película adecuada en la superficie de las piezas para reemplazar el medio lubricante potencialmente dañino para el medio ambiente y el cuerpo humano. PW Gold y otros en Alemania utilizaron la financiación de SFB442 para aplicar la tecnología PVD para depositar películas delgadas en la superficie de rodamientos y descubrieron que el rendimiento antidesgaste de los rodamientos mejoró significativamente y que las películas depositadas en la superficie podían reemplazar por completo la función de los aditivos antidesgaste de extrema presión. Joachim, Franz et al. en Alemania utilizaron la tecnología PVD para preparar películas de WC/C que demostraron excelentes propiedades antifatiga, superiores a las de los lubricantes que contienen aditivos EP, un resultado que también ofrece la posibilidad de reemplazar aditivos dañinos con recubrimientos. E. Lugscheider et al. del Instituto de Ciencia de Materiales, Universidad Técnica de Aquisgrán, Alemania, con financiación de la DFG (Comisión Alemana de Investigación), demostraron un aumento significativo en la resistencia a la fatiga después de depositar películas adecuadas en acero 100Cr6 utilizando la tecnología PVD. Además, la empresa estadounidense General Motors ha comenzado a utilizar una película de deposición superficial en los engranajes de su automóvil Volvo S80 Turbo para mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras; la famosa empresa Timken ha lanzado la película superficial para engranajes ES200; la marca registrada MAXIT gear coating ha aparecido en Alemania; y los recubrimientos para engranajes con las marcas registradas Graphit-iC y Dymon-iC también están disponibles en el Reino Unido.

Como piezas de repuesto importantes en la transmisión mecánica, los engranajes desempeñan un papel fundamental en la industria, por lo que el estudio de la aplicación de materiales cerámicos en ellos reviste una gran importancia práctica. Actualmente, las cerámicas de ingeniería aplicadas a los engranajes son principalmente las siguientes:

1. Capa de recubrimiento de TiN
1、TiN

El recubrimiento cerámico de TiN mediante deposición iónica es uno de los recubrimientos de modificación de superficie más utilizados, gracias a su alta dureza, alta fuerza de adhesión, bajo coeficiente de fricción y buena resistencia a la corrosión. Se ha utilizado ampliamente en diversos campos, especialmente en la industria de herramientas y moldes. La principal razón que limita la aplicación de recubrimientos cerámicos en engranajes es el problema de la unión entre el recubrimiento cerámico y el sustrato. Dado que las condiciones de trabajo y los factores que influyen en los engranajes son mucho más complejos que los de las herramientas y los moldes, la aplicación de un único recubrimiento de TiN en el tratamiento de la superficie de los engranajes está muy restringida. Si bien el recubrimiento cerámico presenta las ventajas de alta dureza, bajo coeficiente de fricción y resistencia a la corrosión, es frágil y resulta difícil obtener un recubrimiento grueso, por lo que requiere un sustrato de alta dureza y resistencia que lo soporte para que pueda desarrollar sus características. Por consiguiente, el recubrimiento cerámico se utiliza principalmente en superficies de carburo y acero de alta velocidad. El material del engranaje es blando en comparación con el material cerámico, y la diferencia entre la naturaleza del sustrato y el recubrimiento es grande, por lo que la unión entre el recubrimiento y el sustrato es deficiente, y el recubrimiento no es suficiente para soportar el recubrimiento, lo que hace que se desprenda fácilmente durante el uso, no solo se pierden las ventajas del recubrimiento cerámico, sino que las partículas de recubrimiento cerámico que se desprenden causan desgaste abrasivo en el engranaje, acelerando su pérdida por desgaste. La solución actual es utilizar tecnología de tratamiento de superficie compuesto para mejorar la unión entre la cerámica y el sustrato. La tecnología de tratamiento de superficie compuesto se refiere a la combinación de recubrimiento por deposición física de vapor (PVD) y otros procesos o recubrimientos de tratamiento de superficie, utilizando dos superficies/subsuperficies separadas para modificar la superficie del material del sustrato y obtener propiedades mecánicas compuestas que no se pueden lograr con un solo proceso de tratamiento de superficie. El recubrimiento compuesto de TiN depositado por nitruración iónica y PVD es uno de los recubrimientos compuestos más investigados. El sustrato nitrurado por plasma y el recubrimiento compuesto cerámico de TiN tienen una fuerte unión y la resistencia al desgaste mejora significativamente.

El espesor óptimo de la capa de película de TiN para lograr una excelente resistencia al desgaste y una buena adherencia a la base es de aproximadamente 3 a 4 μm. Si el espesor de la capa es inferior a 2 μm, la resistencia al desgaste no mejorará significativamente. Si el espesor de la capa supera los 5 μm, la adherencia a la base disminuirá.

2. Recubrimiento de TiN multicapa y multicomponente

Con la aplicación gradual y generalizada de los recubrimientos de TiN, cada vez hay más investigaciones sobre cómo mejorarlos. En los últimos años, se han desarrollado recubrimientos multicomponentes y multicapa basados ​​en recubrimientos binarios de TiN, como Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N, TiN/Al2O3, etc. Al añadir elementos como Al y Si a los recubrimientos de TiN, se puede mejorar la resistencia a la oxidación a altas temperaturas y la dureza de los recubrimientos, mientras que la adición de elementos como B puede mejorar la dureza y la fuerza de adhesión de los mismos.

Debido a la complejidad de la composición multicomponente, existen muchas controversias en este estudio. En el estudio de recubrimientos multicomponentes (Tix,Cr1-x)N, existe una gran controversia en los resultados de la investigación. Algunos creen que los recubrimientos (Tix,Cr1-x)N se basan en TiN, y que el Cr solo puede existir como una solución sólida de reemplazo en la matriz de puntos de TiN, pero no como una fase separada de CrN. Otros estudios muestran que la cantidad de átomos de Cr que reemplazan directamente a los átomos de Ti en los recubrimientos (Tix,Cr1-x)N es limitada, y el Cr restante existe en estado singlete o forma compuestos con N. Los resultados experimentales muestran que la adición de Cr al recubrimiento reduce el tamaño de partícula superficial y aumenta la dureza, y la dureza del recubrimiento alcanza su valor máximo cuando el porcentaje en masa de Cr llega al 31%, pero la tensión interna del recubrimiento también alcanza su valor máximo.

3. Otra capa de recubrimiento

Además de los recubrimientos de TiN de uso común, se utilizan muchas cerámicas técnicas diferentes para el refuerzo de la superficie de los engranajes.

(1)Y. Terauchi et al. de Japón estudiaron la resistencia al desgaste por fricción de engranajes cerámicos de carburo de titanio o nitruro de titanio depositados mediante el método de deposición de vapor. Los engranajes se carburizaron y pulieron para lograr una dureza superficial de aproximadamente HV720 y una rugosidad superficial de 2,4 μm antes del recubrimiento, y los recubrimientos cerámicos se prepararon mediante deposición química de vapor (CVD) para el carburo de titanio y mediante deposición física de vapor (PVD) para el nitruro de titanio, con un espesor de película cerámica de aproximadamente 2 μm. Las propiedades de desgaste por fricción se investigaron en presencia de aceite y fricción seca, respectivamente. Se encontró que la resistencia al agarrotamiento y la resistencia al rayado de la mordaza del engranaje mejoraron sustancialmente después del recubrimiento con cerámica.

(2) Se preparó un recubrimiento compuesto de Ni-P y TiN mediante recubrimiento químico, aplicando previamente una capa de Ni-P como capa de transición y depositando posteriormente TiN. El estudio demuestra que la dureza superficial de este recubrimiento compuesto ha mejorado considerablemente, presentando una mejor adherencia al sustrato y una mayor resistencia al desgaste.

(3) Película delgada de WC/C, B4C
M. Murakawa y otros, del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Japón, utilizaron la tecnología PVD para depositar una película delgada de WC/C en la superficie de engranajes, y su vida útil fue tres veces mayor que la de los engranajes templados y rectificados convencionales en condiciones de lubricación sin aceite. Franz J y otros utilizaron la tecnología PVD para depositar películas delgadas de WC/C y B4C en la superficie de engranajes FEZ-A y FEZ-C, y el experimento demostró que el recubrimiento PVD redujo significativamente la fricción del engranaje, lo hizo menos susceptible al pegado en caliente o al encolado, y mejoró su capacidad de carga.

(4) Películas de CrN
Las películas de CrN son similares a las películas de TiN en que tienen mayor dureza, y las películas de CrN son más resistentes a la oxidación a alta temperatura que las de TiN, tienen mejor resistencia a la corrosión, menor tensión interna que las películas de TiN y una tenacidad relativamente mejor. Chen Ling et preparó una película compuesta de TiAlCrN/CrN resistente al desgaste con una excelente unión basada en la película en la superficie de HSS, y también propuso la teoría de apilamiento de dislocaciones de la película multicapa, si la diferencia de energía de dislocación entre dos capas es grande, la dislocación que ocurre en una capa será difícil de cruzar su interfaz hacia la otra capa, formando así el apilamiento de dislocaciones en la interfaz y desempeñando el papel de fortalecer el material. Zhong Bin et estudió el efecto del contenido de nitrógeno en la estructura de fase y las propiedades de desgaste por fricción de las películas de CrNx, y el estudio mostró que el pico de difracción Cr2N (211) en las películas se debilitó gradualmente y el pico CrN (220) se intensificó gradualmente con el aumento del contenido de N2, las partículas grandes en la superficie de la película disminuyeron gradualmente y la superficie tendió a ser plana. Cuando la aireación de N2 fue de 25 ml/min (corriente de arco de la fuente objetivo de 75 A, la película de CrN depositada tiene buena calidad superficial, buena dureza y excelente resistencia al desgaste cuando la aireación de N2 es de 25 ml/min (corriente de arco de la fuente objetivo de 75 A, presión negativa de 100 V).

(5) Película súper dura
La película superdura es la película sólida con una dureza mayor a 40 GPa, excelente resistencia al desgaste, resistencia a altas temperaturas y bajo coeficiente de fricción y bajo coeficiente de expansión térmica, principalmente película de diamante amorfo y película de CN. Las películas de diamante amorfo tienen propiedades amorfas, no tienen una estructura ordenada de largo alcance y contienen una gran cantidad de enlaces tetraédricos CC, por lo que también se les llama películas de carbono amorfo tetraédrico. Como un tipo de película de carbono amorfo, el recubrimiento tipo diamante (DLC) tiene muchas propiedades excelentes similares al diamante, como alta conductividad térmica, alta dureza, alto módulo elástico, bajo coeficiente de expansión térmica, buena estabilidad química, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción. Se ha demostrado que el recubrimiento de películas tipo diamante en superficies de engranajes puede extender la vida útil en un factor de 6 y mejorar significativamente la resistencia a la fatiga. Las películas de CN, también conocidas como películas de carbono-nitrógeno amorfo, tienen una estructura cristalina similar a la de los compuestos covalentes β-Si3N4 y también se conocen como β-C3N4. Liu y Cohen et al. Se realizaron cálculos teóricos rigurosos utilizando cálculos de bandas de pseudopotencial a partir del principio de la primera naturaleza, lo que confirmó que el β-C3N4 tiene una gran energía de enlace, una estructura mecánica estable, puede existir al menos un estado subestable y su módulo elástico es comparable al del diamante, con buenas propiedades, lo que puede mejorar eficazmente la dureza superficial y la resistencia al desgaste del material y reducir el coeficiente de fricción.

(6) Otra capa de recubrimiento resistente al desgaste de aleación
También se han probado algunos recubrimientos de aleación resistentes al desgaste para su aplicación en engranajes; por ejemplo, la deposición de una capa de aleación de Ni-P-Co en la superficie del diente de engranajes de acero 45# crea una estructura de grano ultrafino que puede prolongar la vida útil hasta 1,144~1,533 veces. Asimismo, se ha estudiado la aplicación de una capa de metal Cu y un recubrimiento de aleación de Ni-W en la superficie del diente de engranajes de hierro fundido de aleación Cu-Cr-P para mejorar su resistencia; y la aplicación de recubrimientos de aleación de Ni-W y Ni-Co en la superficie del diente de engranajes de hierro fundido HT250 para mejorar la resistencia al desgaste entre 4 y 6 veces en comparación con el engranaje sin recubrimiento.